基于圖書自動上架與盤點機械手的24小時圖書驛站全自動方案設計

宋虎 王威 李書恒 錢坤 周瑜

摘 要：介紹了基于可編程控制器PLC的三軸機械手，利用三軸機械手與RFID技術對張家港市圖書驛站的圖書上架與圖書盤點方式進行改進，建立了基于圖書自動上架與盤點機械手的24小時圖書驛站全自動方案。

關鍵詞：PLC;三軸機械手;RFID;圖書驛站;圖書自動上架

1 緒論

為貼近居民生活，促進全民讀書學習，作為全國首批先進文明縣的張家港，在全國首創“圖書館驛站”（以下簡稱為圖書驛站）。圖書驛站自2013年成立至今，已具規模，讀者人數多、圖書流動率高，受到張家港市民的熱烈喜愛[2]。圖書驛站全天候開放，讀者可以在任何時間進入驛站內閱讀。但通過調研分析，張家港市圖書驛站在圖書自動上架、圖書盤點等方面尚有改進空間。為了使圖書驛站免除傳統人工管理模式，同時解決圖書上架繁瑣、盤點易出錯等問題，使其更加人性化，自動化，筆者將自動化技術引入到圖書驛站中，利用PLC、三軸機械手、無線射頻技術（RFID）對驛站進行改進，旨在降低成本、提高圖書服務質量并且提高管理效率，實現圖書驛站的全自動化、無人化，構建“全自動化圖書館驛站”，使市民即使在喧鬧的都市中也能享受“無人的靜謐”。

2 圖書自動上架系統

2.1 三軸機械手

三軸機械手硬件部分主要由四臺步進電機、滾珠絲桿、直線導軌等元器件組成，通過PLC控制四臺步進電機帶動絲桿平臺運動。滾珠絲桿是將旋轉運動轉化為直線運動的器件，可以將步進電機的扭矩轉換成軸向反復作用力，采用滾珠絲桿能夠實現精確快速的定位功能，從而使三軸機械手精準夾取圖書實現圖書自動上架。三軸機械手硬件框圖如圖1所示。

2.2 圖書自動上架系統結構

圖書自動上架系統由三軸機械手、PLC、電氣控制柜、接近開關、電磁式接觸傳感器組成。四臺步進電機與絲桿組成三軸機械手，機械手的主電機X1的絲桿導軌鋪設在書架正面的地面上，絲桿導軌嵌入地面。電機X1實現X軸方向的移動，電機Y1實現Y軸方向的移動，電機X1與Y1實現三軸機械手在書架的各層移動。電機Z1實現Z軸方向的移動，電機A1通過控制兩塊夾板實現夾書動作，電機A1前端的兩塊夾板高度為13cm，厚度為2mm，由精鋼制成，硬度高且不易損壞。兩塊夾板下方設有一個長度為38cm，寬度為8cm的托板，防止電機A1在夾取圖書的過程中圖書掉落。4臺步進電機相互配合，從而實現夾取圖書功能。系統結構模型見圖2。

2.3 硬件選型

因為PLC是圖書自動上架系統的控制中心，步進電機是三軸機械手的核心器件，因此本文的硬件選型，僅針對步進電機與PLC。

2.3.1 步進電機

步進電機是一種利用電脈沖信號來進行控制，能夠將電脈沖信號轉化為相應的角位移或直線位移的執行體系。步進電機由于受到電脈沖的控制，其轉子的角位移量和速度會嚴格地與輸入脈沖的數量以及頻率成正比，從而可以通過控制脈沖數量來控制角位移的數量，進一步達到精確定位的效果，考慮到圖書上架過程精確度較高，因此選用步進電機是最好的選擇。步進電機的種類十分豐富，根據其結構可分為：反應式步進電機、永磁式步進電機以及混合式步進電機這三種。三種類型步進電機的優缺點，如下表所示。

綜合以上情況，最終選擇采用歐力傳動的57步進電機加上DM542步進電機驅動器。DM542屬于中低壓步進電機驅動器。采用最新的32位DSP技術，具有非常優秀的性能，能夠滿足本系統的性能需求。

2.3.2 可編程控制器（PLC）

可編程控制器（PLC）是一種數字運算操作的電子系統，由于PLC具有功能強大、可靠性高、體積小巧、可擴展各種智能模塊等特點，使其在自動化領域中的應用十分普及。

圖書自動上架系統使用的PLC要結構緊湊、擴展性好、指令功能強大、價格低廉、且體積小，需要具有斷電保持功能、以太網通訊、同時輸出3路PWM脈沖輸出等功能，通過比較各類品牌的PLC，最終選定西門子S7-200smart系列PLC作為圖書自動上架系統的控制器，驅動三軸機械手運作。

2.4 系統原理

2.4.1 書架設置

張家港市圖書驛站按照圖書的種類，每個書架放置同種圖書，每個書架的圖書分布沒有特定規則，讀者按照個人興趣到對應書架選取圖書進行閱讀。在三軸機械手夾取圖書的過程中，電機Z1前端的夾板難免會損壞圖書，為了保護圖書在上架過程中不被損壞，將張家港圖書驛站的書架特殊處理。書架模型圖見圖3。書架每層設置間隔擋板，間隔擋板將書架隔離成一個一個書洞，書洞的長度為40cm，略大于三軸機械手前端托板的長度。間隔板的厚度為1cm，材質為合金。間隔板兩側切割出一個厚度為3mm，高度為15cm的槽口。圖書擺放在書架時，不會占用槽口的空間。三軸機械手夾取圖書時，前端兩塊夾板從槽口進入，然后夾取圖書，此方法可有效保護圖書不被損壞。槽口模型圖見圖3。

2.4.2 圖書自動上架過程

首先，三軸機械手的初始化位置在書架左下側，位置見圖3。三軸機械手始終處于待運行狀態。在書架的右下角通過設置間隔擋板，建立長度為40cm的還書處。在還書處的右側內嵌電磁式接觸傳感器觸頭，讀者將借閱后的圖書放在還書處，圖書驛站新增的圖書也放至書架的還書處。當還書處的圖書達到一定數量時，接觸傳感器感應并動作，并將動作信號送至PLC。此時PLC開始運作，驅動三軸機械手的主電機X1動作，主電機X1到達還書處，電機Z1與電機A1動作夾取圖書，夾取書完畢后，Y1電機與X1電機配合，將圖書送至閑置書洞，從而實現圖書自動上架。

3 圖書盤點系統

3.1 射頻識別技術（RFID）

射頻識別技術（RFID）主要由4個部分構成，分別是閱讀器、應答器、應用系統和天線。射頻識別技術（RFID）采用全新的無線信號監控技術對目標標簽進行掃描，根據掃描結果獲得標簽目標的具體信息，是常見的物聯網技術應用之一[3]。如今，射頻識別技術（RFID）在圖書館中的應用十分廣泛，圖書館中90%以上的文獻借還服務利用了RFID技術。本文基于RFID的圖書盤點系統利用RFID技術實現圖書自動盤點功能，能夠為讀者帶來便利，同時節省圖書驛站工作人員的工作量。

3.2 系統結構

圖書盤點系統由射頻識別技術（RFID）與三軸機械手構成。圖書盤點系統依托圖書自動上架系統，射頻識別技術（RFID）的閱讀器安置在三軸機械手前端夾板的中間，三軸機械手在書架各個位置移動，RFID閱讀器即實現了對書架各層圖書的掃描盤點。圖書盤點系統與圖書自動上架系統關系緊密但又相互獨立。關系緊密體現在：RFID閱讀器對書架圖書盤點是借助了三軸機械手的移動，才得以實現。相互獨立體現在：RFID閱讀器通過耦合線圈發射出特定頻率的無線電波，實現與應答器之間的數據信息交換，從而將圖書信息送入數據庫存儲。此過程與圖書自動上架系統并無聯系。

3.3 系統原理

對圖書驛站的圖書進行盤點，主要分為4個步驟：（1）粘貼RFID標簽;（2）注冊RFID標簽并與圖書條碼關聯;（3）閱讀器掃描;（4）數據庫更新。在圖書驛站建成時，圖書數量較多，此時，將所有圖書按照種類放到對應的書架上，PLC驅動三軸機械手的X1、Y1電機運作，按照從上到下，從左到右的順序掃描書架各層圖書，三軸機械手前端的RFID閱讀器對圖書標簽進行掃描閱讀并將圖書信息存入數據庫。這種方式，精確度高、耗時少，大大提高了圖書盤點的效率。此時的數據庫包含了圖書驛站所有圖書的信息。

在圖書驛站的日常運行中，數據庫圖書信息的更新有以下兩種方式：（1）圖書驛站增加新書;（2）讀者借還書。在圖書驛站建成后，不定期增加的新書數量較少，因此，采用同一種方法對圖書驛站增加的新書與讀者歸還的書進行盤點。方法如下：圖書驛站增加的新書也放至書架的還書處，等到還書處的數量到達一定數量并觸發接觸傳感器時，三軸機械手將圖書上架，在主電機X1運行到還書處時，機械手前端的RFID閱讀器開始運作，對還書處的圖書進行掃描盤點并將圖書信息傳輸到數據庫。

3.4 遺失盤點

對于RFID技術下的圖書盤點系統，過一段時間就需要進行全面盤點，清除一些遺失數目及其標簽，以保證RFID的標簽能夠正常的運行。考慮到張家港市圖書驛站24小時營業、圖書流動頻繁等特點，設定圖書驛站的閉館時間為每周一8：00—12：00，在這個時間段內，利用三軸機械手對圖書驛站內所有圖書進行掃描盤點，讓數據庫自動地為圖書館全面盤點一次，找出遺失、錯誤的圖書或RFID標簽。

4 結語

張家港市圖書館驛站的工作人員是來自張家港市的志愿者，且多為中年女性，頻繁的圖書上架對于部分中年女性而言不是十分輕松。基于圖書自動上架與盤點機械手的24小時全自動方案將使圖書驛站提供全自動化服務，改進后的圖書館驛站以全自動的方式節省圖書借還時間，減少工作人員的勞動，使市民閱讀方式更為便捷。

參考文獻：

[1]陳世海，繆建新.圖書館驛站：百姓身邊“永不打烊”的圖書館——張家港市村（社區）圖書室提檔升級的實踐與探索[J].國家圖書館學刊，2015（05）.

[2]段宇鋒，王亞寧，王燦昊.“永不打烊”的圖書館——張家港24小時“圖書館驛站”[J].圖書館雜志，2018（09）.

[3]邵緯.公共圖書館RFID圖書定位技術研究[J].圖書館學刊，2017（01）.

[4]王晶，黃斌，陳俊華.基于PLC的圖書館作業型機器人工作系統[J].機床與液壓，2005（10）.

作者簡介：宋虎（1998—），男，江蘇徐州人，大學本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化;王威（1998—），男，江蘇鹽城人，大學本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化;李書恒（1998—），男，江蘇徐州人，大學本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化;錢坤（1999—），男，江蘇宿遷人，大學本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化;周瑜（1984—），女，江蘇張家港人，博士在讀，實驗師，主要從事工業自動控制教學與研究。